Тончайшее несовершенство, что порождает всё. Долгий путь частице Бога и Новая физика, которая изменит мир

“Это примерно столько же, сколько мы потратили на «Интер» в последнее время!”

UX5, подземная камера CMS в Чесси,

18 мая 2011 г., 16.00

На сегодня я встречался уже с десятками министров и глав государств. Каждый раз, когда какая‑нибудь ВИП-персона решает навестить LHC и его эксперименты, служба протокола ЦЕРН привлекает нас. Гостей следует встретить у Р5 и сопроводить до подземного зала, где установлен CMS. Это входит в обязанности спикера и отбирает уйму времени. С тех пор как ЦЕРН стал появляться на первых страницах газет, визиты Важных людей случаются не менее двух-трех раз в неделю.

Я встречался с королем бельгийцев Альбертом II, Генеральным секретарем ООН Пан Ги Муном, Председателем Еврокомиссии Жозе Мануэлем Баррозу, а также с многочисленными министрами и президентами, включая Джорджо Наполитано. Мне случалось поболтать с такими интересными людьми, как Билл Гейтс и Илон Маск (последний неплохо заработал на изобретении PayPal, а теперь выпускает электромобили Tesla и космические корабли многоразового использования SpaceX). Я встречал тех, кто хотел все знать и потому выспрашивал у меня всяческие подробности. Но иногда мне приходилось терпеть невеж, которые думали лишь о собственном пиаре, позируя журналистам и раздавая интервью. Помню я и парочку министров с пустыми глазами – мыслями они были уже далеко и то и дело поглядывали на часы, недовольные, что их визит так затянулся.

Но нынче у меня совершенно особенный гость, из‑за которого Лучио Росси вот уже месяц не находит себе покоя, потому что все должно быть безукоризненно: к нам приезжает Марко Тронкетти Провера, главный исполнительный директор компании Pirelli и горячий поклонник футбольного клуба “Интер” (он является членом его административного совета). Мы с Лучио тоже тиффози миланского клуба, причем с самого детства; бывали годы, когда “Интер” не знал себе равных и побеждал во всех матчах. Но мы оставались ему верны и позднее, когда его черная полоса затянулась, у него ничего не клеилось и он на последних секундах проигрывал не только отдельные матчи, но и чемпионаты, которые, казалось, были уже у него в кармане.

К визиту Тронкетти Проверы Лучио приготовил специальный сюрприз. Делал все в секрете, никому – даже мне – ничего не говорил. Но когда мы вошли в SM18, огромный ангар, где проводятся тесты на магнитах, которыми руководит Лучио, этот сюрприз оказался прямо перед нами – и мы все разразились хохотом.

Магниты LHC содержатся в стальных цилиндрах длиной 15 м и диаметром 60 см. Все они окрашены в голубой цвет. Так вот: Лучио взял один из них и добавил черных полосок, так что теперь казалось, будто цилиндр облачен в черно-голубую майку. Фотография обессмертила нас троих на фоне этого интер-магнита.

Шутка Лучио поспособствовала созданию приятной атмосферы, так что визит прошел на удивление удачно. Тронкетти Провера – посетитель из разряда любопытствующих, с которыми мне легко общаться. Когда мы с ним спускаемся в подземный зал, он сразу замечает шкафы оптоволоконных кабелей и хочет знать, почему их так много. Я объясняю, что эти кабели передают сигналы от детекторов, которые затем дигитализируются и отправляются на компьютеры для реконструкции событий. Здесь собираются данные о сорока миллионах столкновений в секунду на LHC, на каждое из которых как правило приходится по 1 Мб; все данные, накапливаемые в этих информационных цепочках, суммируются в поток, сравнимый с тем, что “омывает” всю Землю. Точнее, обмен информацией внутри CMS удваивает объем информации, которой люди обмениваются друг с другом с помощью телефонов, компьютеров, телепередач, оптоволоконных кабелей и всего такого прочего.

Следующий вопрос вполне ожидаем: и сколько же все это стоило? Когда я называю общую стоимость CMS, а именно – 475 млн франков, Тронкетти Провера замечает: “Я думал, больше. Это примерно столько же, сколько мы потратили на «Интер» в последнее время!”

При всем моем уважении к футболу и болельщикам, я не мог не задуматься о странностях нашего мира, где тратятся такие суммы на поддержку в должной форме хорошей команды (а таких команд, заметим, несколько десятков), но не вкладывается столько же денег в познание тайн природы и прогресс нашего познания.

Расходы на исследования

Совокупные расходы на строительство LHC, включая ускоритель и все детекторы, составляют шесть миллиардов швейцарских франков. Потребовались целые годы (точнее – двадцать лет), чтобы создать сложнейшие аппараты, компоненты для которых прибывали со всего мира; при этом большая часть финансирования поступает от европейских стран, входящих в ЦЕРН. Если мы разделим эту сумму на все население планеты и примем во внимание срок, в течение которого велось строительство, то увидим, что LHC стоил каждому из нас всего один швейцарский франк (или пять центов) в год.

Физика высоких энергий – не дешевое дело: на создание ее грандиозной инфраструктуры требуются миллиарды евро; это большие суммы, и их следует, что называется, рассматривать под микроскопом, так как речь идет об общественном достоянии, формируемом из поступлений от налогоплательщиков; вдобавок мы не должны забывать, что все финансирование наших экспериментов облагается всевозможными сборами, которые в основном идут на оплату труда наемных рабочих и выплату пенсий.

Это правильно, что всякая крупная инвестиция в научное исследование обсуждается во всех деталях и что задаются разнообразнейшие вопросы. В самом ли деле необходимо тратить эти ресурсы на фундаментальные исследования? Какое влияние на нашу жизнь окажет открытие бозона Хиггса? Не было бы лучше потратить эти деньги на борьбу с болезнями? Или на борьбу с голодом? Или на смягчение климатических изменений?

Чтобы толково отвечать на эти и подобные вопросы, которые возникают на любом публичном обсуждении, надо прежде всего определить масштаб проблемы.

У всякого предприятия с тысячами наемных служащих, будь то университет или крупная больница, годовой бюджет укладывается в диапазон между 500 млн и 1 млрд евро. И ЦЕРН – с его 2 240 штатными сотрудниками и тысячами ассоциированных исследователей, которые пользуются его инфраструктурой, но находятся на содержании своих университетов или исследовательских организаций, – не исключение. Его годовой бюджет составляет примерно 900 миллионов евро.

Всякая отдельно взятая страна тратит около миллиарда евро в год на содержание и развитие своей транспортной системы: один километр автострады или железнодорожного пути стоит примерно 20 млн евро. В Италии эти расходы (по причинам, обсуждать которые мы тут не будем) выше, причем намного. 62 км автострады, связывающей Брешию с Бергамо и Миланом, обошлись налогоплательщикам в 2,4 млрд евро. Линия С римского метрополитена, которая пока еще не достроена[51], будет стоить 4,2 млрд евро за 26,5 км.

И это мы еще не упомянули расходы на новое оружие и оборудование военного назначения. Стоимость одного современного военного самолета колеблется между 130 млн за F-35 и 200 млн за F-22, достигая 1,2 млрд долларов за бомбардировщик-невидимку B-2. В Италии действует программа по закупке в ближайшее десятилетие девяноста истребителей F-35 общей стоимостью примерно в 14 млрд евро. Современный эсминец стоит около двух миллиардов долларов; модели более продвинутые, например невидимый Zumwalt, спущенный недавно на воду в США, стоил 4,4 млрд долларов. Всего их там строят три штуки, и вся программа обойдется в 23 млрд долларов.

Давайте теперь посмотрим на крупные научные проекты (сопоставимые по масштабу и сложности с LHC), в которых задействованы на годы тысячи ученых; расходы на них сравнимы. Например, проект “Геном человека”, начавшийся в 1990 году и завершившийся в 2003‑м полной реконструкцией человеческого генетического кода, стоил 4,7 млрд долларов.

Для изучения наиболее далеких уголков Вселенной NASA в 2018 году запустит новый огромный космический телескоп – наследник орбитальной обсерватории Hubble. Это технологическое чудо будет носить имя Джеймса Уэбба, директора NASA, стоявшего у истоков программы “Аполлон”, и его предполагаемая стоимость составит 8 млрд долларов[52].

Нечего и говорить о расходах на Международную космическую станцию, на которой уже побывали и некоторые из наших космонавтов, – в частности, Лука Пармитано и Саманта Кристофоретти. Первый сегмент станции был запущен в 1998 году, и расходы на программу в первые десять лет превысили 140 млрд долларов.

Человечество тратит внушительные суммы на научные исследования; проекты вроде LHC составляют несколько процентов от глобальных расходов, на которые мир идет ради нового знания, и ничтожную часть ежегодно производимого совокупного продукта.

Если мы возьмем пять стран, больше всех инвестирующих в научные исследования и опытно-конструкторские разработки, – США, КНР, Японию, Германию и Южную Корею, – то увидим, что их ежегодные расходы в этом секторе превышают триллион долларов. Кажется, что это сумасшедшая сумма, но она составляет меньше 3 % от 35 трлн годового дохода этих пяти стран.

Наконец, тут уместен еще один вопрос: оправдывают ли полученные результаты тот уровень затрат, который необходим для проведения данных исследований?

Фундаментальные исследования нацелены на улучшение нашего понимания природы, но эта задача зачастую представляется со стороны достаточно абстрактной: понять спонтанное нарушение электрослабой симметрии, найти новые пространственные измерения, разобраться с механизмом инфляции и так далее. Однако чем абстрактнее сформулированы цели исследования, тем более конкретные и более материальные инструменты нужны, чтобы их достигнуть. Чем выше мы хотим взлететь, тем тверже должны стоять на земле.

Мы, физики, занимающиеся элементарными частицами, привыкли вести, так сказать, двойную жизнь: сегодня мы яростно спорим о стабильности электрослабого вакуума и о конце нашей Вселенной, то есть обсуждаем вопросы, граничащие с философией, а назавтра являемся в лабораторию, чтобы разработать новые материалы, придумать новые детекторы и собственными руками собрать прототипы устройств, основанные на технологиях, которые изменят судьбу человечества.

Так не раз происходило в прошлом, так, я уверен, повторится и в будущем.

Фундаментальные исследования и новые технологии

В 1989 году мы и представить себе не могли, что изобретение Тима Бернерса-Ли, сидевшего всего лишь в нескольких комнатах от нас, так сильно изменит весь мир. Появление в нашей жизни World Wide Web – это пример того, как серьезные инновации могут повернуться своей неожиданной стороной. Никто в ЦЕРН не намеревался изобретать web, в том числе и Бернерс-Ли; его делали для разрешения проблемы, связанной с тем, что LEP стал производить много данных очень разной природы: отчеты, графики, фотографии, технические чертежи… Нужно было найти способ как‑то их организовать, сделав доступными тысячам членов коллаборации. И вот наконец нашлось подходящее решение. Парень загорелся и захотел проверить, как будет работать его идея; непосредственный босс не оценил то, что он придумал, но кое‑кто решил дать Бернерсу-Ли попробовать. И вдруг – бац! Мир навсегда изменился.

6 августа 1991 года родилась первая веб-страница, а сегодня их уже миллиард. Такая чудесная вещь – и задаром! Я часто думаю, сколько проектов смогли бы мы реализовать, если бы каждый раз, когда кто‑то обращается к какой‑нибудь веб-странице, в кассу ЦЕРН падало по центу. Но уговор дороже денег. Наши исследования финансируются из общественных фондов, и все, что мы находим, мы выставляем на всеобщее обозрение совершенно бесплатно. Нет ни патента, ни прихода, никакие роялти не поступят в пользу тех, кто что‑то изобрел или открыл в физике высоких энергий. Финансирование ЦЕРН миром давно и с лихвой окупилось: экономическое воздействие нашей деятельности основательно превысило начальную инвестицию, не говоря уже об аспектах культурных и научных.

История с World Wide Web упоминается чаще прочих, но есть и много других технологий, рожденных фундаментальной физикой и изменивших нашу жизнь. Начнем с Х-лучей. Вскоре после Рождества 1895 года немецкий физик Вильгельм Рёнтген уговорил свою жену Анну Берту (изрядно, по правде говоря, сопротивлявшуюся) постоять минут пятнадцать неподвижно, положив левую руку на обернутую черной бумагой фотопластинку, размещенную под странной стеклянной колбой, с которой Вильгельм провозился много месяцев. Этот первый рентгеновский снимок полностью преобразил не только научную диагностику болезней, но и всю медицину в целом.

Рёнтген пытался понять, что происходит, когда он пропускает электрический ток между электродами, находящимися в вакууме в стеклянной трубке. Он и не думал, что, двигаясь по этому пути, откроет дорогу инновации, которая спасет жизни миллионам людей.

Попробуем вообразить, что сказал бы об этих его опытах человек с улицы конца XIX века: “И для чего они нужны, эти странные манипуляции? Не лучше ли было бы вложить деньги в лечение детей, умирающих от чахотки?”

Открытия, меняющие мир, трудно предсказать. Иногда самые важные из них совершаются почти случайно, причем людьми, которые вовсе не думали о том, как бы сделать нечто подобное; могут пройти десятилетия, прежде чем для их идеи найдется подходящее применение. Тут напрашивается сравнение с подземной рекой, которая прячется в многокилометровых карстовых пещерах, а потом вдруг являет себя, выйдя в неожиданном месте на земную поверхность.

В основе всего лежат эпохальные прорывы – открытия, заставляющие отказываться от основных парадигм. Сначала никто и не думает, что они могут для чего‑нибудь пригодиться, но затем, по прошествии десятилетий, они становятся неотъемлемой частью жизни каждого человека. Вильгельм Рёнтген не догадывался, что его аппарат ознаменует собой начало пути, который со временем приведет к компьютерной томографии, эхографии и МРТ; а ведь современная медицина немыслима без этих инноваций.

Бывает и так, что одно изобретение невозможно без другого, как невозможна лавина без первого комочка снега, полетевшего в долину. Х-лучи позволили лучше понять и ядра, и звезды, они дали нам средство исследования структуры молекул, лежащее сейчас в основе создания любого нового лекарства, любого нового материала.

Уильям Лоуренс Брэгг был совсем юным, едва окончившим университет, когда обнаружил любопытный феномен, возникавший при освещении рентгеновскими лучами небольших кристаллов. Открытие этой необычной дифракции, получившей его имя, не только сделало его самым молодым лауреатом в истории нобелевских премий (ему было всего 25 лет, когда он оказался в Стокгольме), но и позволило нам подробно изучить, из чего состоят атомы и молекулы. Революция, разразившаяся благодаря этому открытию, затронула химию, фармацевтику, материаловедение, биологию и много других дисциплин.

То же можно сказать и о лазерах. Поначалу, когда ими занимались в лабораториях, считалось, что эти аппараты никогда не принесут никакой практической пользы[53]. Кто мог подумать, что они столь нагло ворвутся во все уголки нашей повседневности? Сегодня при помощи лазеров лечат глазные болезни, разбивают тромбы, закупоривающие артерии, проигрывают музыку и показывают кинофильмы; при помощи лазера продавщица в супермаркете узнает цену товара, положенного нами в тележку, а группа хулиганов на стадионе пытается помешать вратарю команды-соперника; тонкие мощные лучи лазера используются и в промышленности – для того, чтобы проделывать отверстия в керамических или металлических пластинах.

У нас есть все основания быть уверенными в том, что тихая и незаметная трансформация не прекращается ни на минуту. Уже сегодня технологии, разработанные при постройке LHC, незаметно проникают в окружающую нас действительность. Скажем, для производства наших магнитов потребовалось сделать сверхпроводящие кабели с очень высокой пропускной способностью – и те же самые кабели стали использовать в магниторезонансных аппаратах нового поколения, которые благодаря этому стали мощнее, компактнее и экономичнее. А из‑за уменьшения стоимости и размеров многие больницы, прежде всего в странах третьего мира, получили возможность прибегать к методам диагностики, которые раньше были им недоступны.

Некоторые новые миниатюрные оптические устройства, разработанные нами для LHC, уже используются на телекоммуникационном рынке, где они позволили снизить затраты и повысить производительность.

Новые кристаллы и кремниевые детекторы, промышленно выпускаемые для наших калориметров и трековых камер, необходимы для современнейших медицинских диагностических аппаратов, позволяющих получать более точные изображения и снижать дозы облучения пациентов.

А что уж говорить о распределенных вычислениях! С самого начала было ясно, что даже самые мощные суперкомпьютеры не сумеют справиться с огромным объемом данных, получаемых в ходе экспериментов LHC. Здесь также потребовалась разработка новой технологии, и решением проблемы стали именно они – распределенные вычисления: абсолютно инновационная вычислительная инфраструктура GRID. Эту устремленную в будущее идею начали развивать на заре 1990‑х, и тогда многие сочли ее слишком авантюрной. Суть была проста: поскольку ни один вычислительный центр не обладает достаточной памятью для хранения данных и достаточной вычислительной мощностью для их анализа, то надо создать мировой суперцентр, в котором аккумулировалась бы информация обо всех крупных вычислительных центрах, занимающихся исследованиями. Вот так и образовался кластер из сотен тысяч компьютеров, которые научились работать как единая гигантская вычислительная машина. Данные направлялись туда, где было свободное дисковое пространство, а при необходимости их анализа использовались доступные на тот момент процессоры – независимо от их физического местонахождения.

Так что молодой индийский исследователь, которому надо провести анализ данных по своему классу событий, может сегодня открыть свой ноутбук в Калькутте, подключиться к Сети и запросить интересующие его данные, а потом запустить свои программы анализа и получить нужный график. Он не знает (да ему это и не требуется!), что нужные ему данные частично хранятся в Чикаго, частично в Болонье, что нужный для их анализа софт запускается на Тайване, а график, прежде чем отправиться в Индию, строится в Германии. Вычислительные мощности, с развитием сетей, стали подобны электрическим: когда нужна электроэнергия, не надо покупать генератор и никому не интересно, откуда ему или ей домой поступает напряжение и какие именно силовые подстанции подключаются в тот или иной час дня, в то или иное время года. Все просто: подключайся, пользуйся, оплачивай счета. Благодаря Сети то же самое происходит и с вычислениями: доступ к суперкомпьютеру могут получить даже те, кто находится в стране с не очень развитой инфраструктурой. Таким образом, тысячи пользователей проводят свои вычисления параллельно и платят смехотворную цену в сравнении с затратами на создание множества вычислительных центров по всему миру.

Как и в случае с любой новаторской идеей, потребовалось много времени – целых пятнадцать лет выматывающей работы, – чтобы создать новую архитектуру и добиться ее безотказного и надежного функционирования. Компьютинг, став распределенным, словно рождается заново. Вычислительные ресурсы сразу оказались значительно мощнее и значительно дешевле, да вдобавок – доступными всем. Наши успехи на LHC подтолкнули к использованию новой архитектуры и в других исследовательских областях, где требуются обширные вычислительные ресурсы, – например, в метеорологии или в гидродинамике; возник и коммерческий вариант распределенных вычислений – cloud, или “облачные”, вычисления вошли в широкий обиход как удобный инструмент, с помощью которого миллионы пользователей получают доступ к необходимым для них вычислительным ресурсам.

Ускорители, используемые для наших исследований, я бы уподобил алмазному долоту турбобура, что помогает познать тайны природы, и их семейство становится все более многочисленным. По современным оценкам, в мире сейчас более 30 тысяч ускорителей, но только 260 из них, меньше 1 %, используются в исследовательских целях. 50 % востребованы в медицине (лучевая терапия, лечение онкологических заболеваний, производство изотопов в диагностических целях, радиофармакология). Еще 41 % применяется для внедрения ионов примесей в кристаллы кремния или в другие полупроводники при производстве микросхем. Оставшиеся 9 % задействованы в иных производственных процессах.

Без физики не было бы современной медицины. Без ускорителей не было бы миниатюрных электронных устройств, обеспечивающих функционирование всего на свете: самолетов, поездов, автомобилей, станков, компьютеров – в том числе и того, на котором я сейчас пишу, – и никогда не разлучающихся с нами смартфонов. И кто может гарантировать, что человечество не получит нечто подобное, воспользовавшись более недавними открытиями, включая те, что кажутся нам сейчас слишком абстрактными и бесконечно далекими от повседневной жизни?

Когда меня спрашивают, какой прок обычному человеку от бозона Хиггса, я говорю, что не знаю. Я не в силах вообразить, на что можно было бы употребить коллимированный пучок бозонов Хиггса, и я понятия не имею, что можно извлечь из понимания, как работает новое скалярное поле. Но я уверен, что рано или поздно кто‑то посмеется над этими моими словами, как сегодня мы улыбаемся, перечитывая дебаты физиков 1930‑х годов об антиматерии. Никто из величайших ученых того времени, ни Пол Дирак, ни Герман Вейль, ни Карл Дейвид Андерсон, даже представить себе не мог, что всего через несколько десятилетий те странные частицы, которые они назвали позитронами, будут в каждодневном режиме использоваться в сотнях больниц, где есть установки ПЭТ (позитронно-эмиссионная томография). Во всем мире антиматерия используется не для того, чтобы делать ужасные бомбы, как в романах Дэна Брауна, а для диагностики тяжелых болезней или изучения тех изменений, которые происходят в мозгу человека при болезни Альцгеймера.

Однако нам всем нужно проявлять осмотрительность и помнить ответ физика Майкла Фарадея на вопрос британского министра финансов Уильяма Гладстона: “Ну а чему именно может послужить это ваше открытие? – Этого я не знаю, но очень вероятно, что вы скоро сможете обложить его налогом”.

Вызовы будущего: Япония и Китай

Открытие бозона Хиггса повлекло за собой страстную научную дискуссию, а также большие политические маневры в связи с новым поколением ускорителей, которые должны будут продолжить дело LHC. Следующим шагом (если повторять схему, сложившуюся после открытия W– и Z-бозонов) могло бы стать строительство большого ускорителя электронов. Подобно Большому электрон-позитронному коллайдеру (LEP), построенному для производства миллионов Z-бозонов и измерения всех их параметров с высокой точностью, новый коллайдер задумывается как машина, где столкновения электронов и позитронов производились бы с той же целью, но уже в отношении бозонов Хиггса. Настоящая фабрика по получению бозонов Хиггса миллионами и в идеальных экспериментальных условиях, чтобы с высокой точностью изучить все их свойства!

Еще в декабре 2011 года Япония выступила с идеей создания Международного линейного коллайдера (ILC), и с тех пор эта инициатива находится на рассмотрении, поскольку доказательство существования бозона Хиггса сделало ее очень привлекательной[54]. Сейчас, когда стала известна его масса, можно лучше просчитать реакции, в которых он появляется, и каналы, по которым идет его распад. Их можно будет использовать при проектировании электрон-протонных столкновений в ILC, где они устраиваются на линейных траекториях. Это ключевое решение: оно было принято во избежание проблем, связанных с электромагнитным излучением электронов на круговых траекториях. Два пучка – электронный и позитронный – разгоняются навстречу друг другу и сталкиваются в центре детектора.

Хотя идея сама по себе гениальна, есть целый ряд технических сложностей, ограничивающих некоторые его характеристики, прежде всего – светимость. В линейных ускорителях сгустки электронов и позитронов пересекаются только один раз, после чего частицы сбрасываются для повторного использования в новых сгустках. Хотя следующая инжекция происходит очень быстро, в секунду не удается производить более десяти-двадцати столкновений. В круговых ускорителях, напротив, частицы могут оставаться на орбитах часами, испытывая по сотни тысяч столкновений в секунду, пока не ослабнет интенсивность пучков и их не потребуется обновить. Таким образом, удается получать значительно большее число столкновений.

Чтобы скомпенсировать этот недостаток, в линейных ускорителях всемерно повышается плотность пучков: их фокусируют до предела, доводя размеры области взаимодействий до минимальных величин. Но отсюда возникают проблемы устойчивости, так как самое незначительное возмущение приводит к потере светимости. В ILC предлагается фокусировать электронный и позитронный пучки до пяти нанометров, что в тысячу раз меньше, чем в LEP; приведение во фронтальное столкновение двух настолько узких пучков создает беспрецедентные проблемы по управлению их положением.

Физическая программа ILC предусматривает столкновения с энергией в 500 ГэВ в центре масс частиц с дальнейшим доведением ее до 1000 ГэВ (1 ТэВ). Эти цели определяют длину ускорителя, так как есть теоретические ограничения на эффективность резонаторов, которые используются для разгона электронов и позитронов. На сегодня лучшая сверхпроводящая ускоряющая структура, производимая в промышленном масштабе, позволяет достигать ускорения в 24 ГэВ на километр. Для ILC ее усовершенствуют, доведя ускорение до 35 ГэВ на километр. И тогда, разгоняя пучки на протяжении 15 километров, вдоль которых располагаются тысячи ускоряющих структур, можно достичь предполагаемых 500 ГэВ. Весь ускоритель целиком, включая область, где пучки сталкиваются лоб в лоб, превращается в линейную структуру длиной в 31 км.

ILC – проект, в котором участвуют исследовательские группы всего мира. Япония выразила готовность разместить у себя новый ускоритель и предложила для него область на севере страны в горах Китаками. Это горный хребет, образованный преимущественно магматическими породами мелового периода; исключительно твердые, эти породы могли выдержать в прошлом катастрофические землетрясения – например, подземные толчки, повлекшие гибель атомной электростанции Фукусима, расположенной неподалеку, к югу отсюда.

Однако выбор столь сейсмически активного места – а подземные толчки тут практически непрерывны – для такой деликатной структуры, как ускоритель, вызывает изрядную озабоченность. Японцы, впрочем, совершенно уверены в себе, хотя многие ученые и опасаются, что в таких условиях может оказаться невозможным производить столкновения высокой интенсивности для пучков столь малого поперечного размера. Другая серьезная проблема связана с финансированием проекта: пока что ни одна страна (в том числе даже сама Япония) не выразила готовности взять на себя бремя расходов, а ведь для покрытия затрат требуется целых восемь миллиардов долларов. Короче говоря, судя по всему, строительство удастся начать не раньше 2019 года, а заработает ускоритель лишь в 2030‑м[55].

На эту инициативу очень быстро среагировал Китай, который сейчас перехватывает инициативу в физике высоких энергий. Он стал активно развивать собственные программы после того, как участились инциденты с соседней Японией, связанные со спорными островами Сенкаку/Дяоюйдао.

Сенкаку/Дяоюйдао – это группа небольших необитаемых островов в проливе между Японией, Тайванем и материковым Китаем, которая стала объектом яростных споров между этими тремя странами. В 2012 году тут произошла серия стычек, вследствие чего острова стали патрулироваться истребителями и бомбардировщиками; в городах Китая прошли многолюдные демонстрации, сопровождавшиеся уничтожением японских товаров. И если за несколько месяцев до этих событий авторитетные китайские ученые рассматривали возможность участия в проекте ILC, то позднее подобный замысел был отвергнут и Китай представил миру свои собственные планы на будущее.

Этот азиатский гигант предлагает амбициозный проект, осуществляемый в две стадии. Сначала – строительство 50‑километрового кольца, в котором разместится Круговой электрон-позитронный коллайдер (CEPC–Circular Electron-Positron Collider) на 240 ГэВ, затем – переустройство его в протонный ускоритель, способный производить столкновения с энергией до 50–90 ТэВ в системе центра масс (SPPC – Super Proton-Proton Collider).

Первая стадия позволяет провести подробные исследования бозона Хиггса. В целях уменьшения затрат для электронов и позитронов используется единое кольцо, что ограничивает максимальное количество сгустков, инжектируемых одновременно. Из-за этого нет возможности вывести на максимум светимость, и тем не менее она в два или три раза выше светимости линейного коллайдера, что делает CEPC весьма конкурентоспособным для такого типа исследований. С технологической точки зрения прорывы тут не требуются, речь идет лишь о некоторых улучшениях того, что было уже сделано для LEP, и об использовании существенных достижений последних лет в области ускорительных камер. Ускоритель может быть построен с нуля, и в качестве локации для него предлагается горный район Яньшань в 300 километрах от Пекина (вблизи городского округа Циньхуандао и недалеко от побережья Ляодунского залива), известный как китайская Тоскана. Прорыть тоннель на 50 или 70 километров в Китае стоит значительно дешевле, чем в Европе или в США; мало того: похоже, что китайцы готовы взять на себя большую часть трат. Реалистическая оценка общих расходов – около 3 млрд долларов при сроках строительства в 6–8 лет; если создание CEPC начнется в 2020 году, то к 2028‑му новый ускоритель можно будет ввести в работу[56].

Вторая стадия проекта, на которой CEPC переделывается в SPPC, – значительно сложнее и менее внятная. Помимо прочего, потребуется произвести значительно более мощные, чем используемые в LHC, магниты по технологии, которая пока что не разработана. Для SPPC рассматриваются два варианта: чтобы достичь 50 ТэВ, нужны магниты на 12 Тл, а для достижения 90 ТэВ нужно магнитное поле в 19 Тл. В обоих случаях потенциал эвентуальных открытий был бы в высшей степени впечатляющим. SPPC позволил бы исследовать диапазон энергий в 4–7 раз более обширный, чем у LHC, хотя этим преимуществом и не удастся воспользоваться в полной мере из‑за ограничения по светимости (она не может сильно превосходить номинальную светимость LHC). Такие технологические неопределенности делают предсказания относительно затрат очень сложными, а его временной горизонт выходит, по всей вероятности, за пределы 2035 года. Так или иначе, но со столь грандиозными планами Китай, как нетрудно догадаться, скоро будет претендовать на роль мирового лидера в этой области.

Запад играет в “Завоевание мира”[57]: Европа и США

Европейская стратегия в области физики высоких энергий абсолютно ясна. Прежде всего надо в полной мере воспользоваться тем потенциалом открытий, которым обладает LHC. Исследование новой энергетической области на самом‑то деле только-только начинается. Ускоритель вернулся к работе в 2015 году с рекордной энергией в 13 ТэВ, и в ближайшие годы должен произвести огромный массив данных, в десятки раз превосходящий тот, что привел к открытию бозона Хиггса. С этого момента до 2025 года, как ожидается, будет набрана статистика порядка 300 fb^-1. Первые признаки присутствия Новой физики в масштабе тераэлектронвольт должны были бы появиться уже в первый год его работы, когда LHC соберет первые 100 fb^-1.

В 2018 году нас ждет поворотный момент: результаты, полученные к этому времени, определят, что нам делать дальше. Если мы получим свидетельства Новой физики, то будем проектировать новые ускорители, нацеленные на уточнения в тех диапазонах энергии, где появятся новые частицы. Если же, напротив, никаких открытий не будет, то мы, во‑первых, станем увеличивать точность измерений, а во‑вторых, снова собравшись с силами, устремимся к выполнению очередного энергетического скачка. В этом случае нам понадобится самый мощный ускоритель, какой только нам смогут позволить технологические и финансовые ресурсы, чтобы отодвинуть границу исследований как можно дальше.

А пока мы, затаив дыхание, с надеждой анализируем результаты первых экспериментов при 13 ТэВ; к тому же уже вовсю идет работа по улучшению нашего ускорителя и детекторов. Цель в том, чтобы еще больше повышать светимость и собирать данные с перспективой в 3000 fb^-1. Эту стадию высочайшей светимости называют HL–LHC (High Luminosity LHC[58]), и она охватит период с 2025 по 2035 год. Так что у LHC впереди долгая жизнь, которая будет посвящена систематическому исследованию Новой физики, – благодаря тому, что на нем либо будут непосредственно открывать новые частицы, либо займутся исследованием значимых отклонений от предсказаний Стандартной модели. LHC надо будет работать как настоящей фабрике по производству бозонов Хиггса и топ-кварков. В случае отсутствия прямых сигналов Новой физики обширная статистика, собираемая HL–LHC, позволит все‑таки точно измерить решающие параметры Стандартной модели, что, возможно, поможет отыскать косвенные указания на новые явления.

Между тем стартовал проект Будущего кольцевого коллайдера (FCC – Future Circular Collider), европейский ответ на инициативы Китая и Японии, касающиеся новых ускорителей. FCC – это международная исследовательская группа, созданная с целью проведения концептуального дизайна (определение инфраструктуры и оценка затрат) для будущего 100‑километрового ускорителя, который будет построен в ЦЕРН. Проект предусматривает протон-протонный коллайдер с энергией 100 ТэВ (FCC-hh) и возможность использования – на первом этапе – основной инфраструктуры для электрон-позитронных столкновений (FCC-ee).

Предложение родилось в 2014 году и тут же получило значительную поддержку со стороны международного сообщества физиков. В работе исследовательской группы в настоящее время принимают участие сотни ученых из десятка стран. Заключительный отчет предусмотрен на 2018 год, и он должен будет заложить основу для выработки новой европейской стратегии в области ускорителей частиц. К этому времени мы ожидаем принятия решений, которые обозначат направление развития физики в первой половине этого века[59].

Даже просто вырыть такой большой тоннель в этом месте – уже задача не из легких. Новый ускоритель должен будет расположиться под всей Женевой, включая озеро Леман, на глубине от 200 до 400 м. При этом надо непременно избежать многочисленных водоносных горизонтов и по максимуму воспользоваться устойчивыми геологическими слоями, лучше пригодными для проходки. Предстоит извлечь миллионы тонн горной породы и каким‑то образом рассеять их в регионе с плотной городской застройкой, а также предусмотреть колодцы доступа 400‑метровой глубины, найти адекватные средства передвижения для транспортировки людей и грузов на расстояния в десятки километров… и сделать еще много другого. Зато преимуществом этого места является доступ к развитой инфраструктуре: цепи ускорителей ЦЕРН вплоть до LHC, которые могли бы выступить в качестве инжекторов, и электроэнергетическая сеть, способная удовлетворить все потребности нового ускорителя.

С физической точки зрения последовательное использование двух ускорителей, FCC-ee и FCC-hh, представляется на данный момент оптимальной конфигурацией. Ускоритель электронов можно было бы построить сразу, как только будет готов тоннель. Для этого можно будет использовать имеющиеся технологии, а промышленное изготовление магнитов и резонаторов осуществлять параллельно с рытьем тоннеля. Детекторы не потребуют серьезных модификаций по сравнению с теми, что уже были сделаны на LHC. С оптимизмом глядя в будущее, можно ожидать принятия решения уже в 2018 году, начала строительства – в 2023‑м, а запуска – в 2035‑м, как раз в конце этапа высокой светимости на LHC.

Но вот протонный ускоритель – машина значительно более сложная, для которой потребуется многолетнее налаживание производства магнитов в промышленном масштабе. Сценарий, предусматривающий начало перехода к FCC-hh в 2040 году, позволил бы поработать над лучшими решениями для сверхпроводящих магнитов, которым суждено стать сердцем всего предприятия. С другой стороны, те же детекторы для нового ускорителя крайне сложны: понадобятся новые технологии и по меньшей мере десять лет разработок, прежде чем удастся начать промышленное производство различных их компонентов.

Физическая программа FCC-ee сфокусирована на точных измерениях параметров бозона Хиггса, топ-кварка и других фундаментальных параметров Стандартной модели. Предусматривается работа ускорителя при 90 ГэВ для производства большого количества Z-бозонов, чтобы затем повысить энергию до 160 ГэВ для генерации пар W-бозонов, потом повысить ее еще раз – до 240 ГэВ, для производства бозонов Хиггса в связке с Z-бозоном, и, наконец, достичь 350 ГэВ для получения пар топ-кварков. Для измерения констант связи бозона Хиггса с другими частицами FCC-ee позволит достичь относительной погрешности в пределах от 1 % до 0,1 %.

При 100 ТэВ на FCC-hh было бы возможно исследовать масштаб энергий, в семь раз превышающий LHC. Всякое новое состояние материи с массой от нескольких ТэВ до нескольких десятков ТэВ можно будет идентифицировать напрямую; вдобавок можно будет выяснить, элементарен ли бозон Хиггса или у него есть внутренняя структура, а также станет возможно изучить те детали спонтанного нарушения электрослабой симметрии, которые обладают определяющим значением для окружающего нас мира. Высокая светимость FCC-hh, до десяти раз превышающая светимость LHC, позволит наконец производить миллионы бозонов Хиггса, распространив с помощью FCC-ee точные измерения на те параметры частицы, которые до того было сложно измерить.

К сожалению, стоимость этой чудесной программы чрезвычайно высока. Точно ее оценить сложно, но можно смело предположить, что общая сумма окажется в пределах от 15 до 20 миллиардов евро. Также нельзя недооценивать многочисленные технические сложности. Прежде всего это касается производства сверхпроводящих магнитов с индукцией поля на 16 или 20 Тл. ЦЕРН руководит исследованиями, целью которых является получение первых реалистических прототипов уже к 2018 году. Также сложные задачи возникают в связи с управлением пучками высокоэнергетических частиц и увеличением среднего времени жизни этих пучков, с организацией системы охлаждения, отводящей тепло, которое возникает из‑за излучения в вакуумных трубках, с организацией систем защиты и с минимизацией радиационного износа компонентов ускорителя. Следует также помнить, что и сами детекторы на FCC-hh по сложности на порядок превосходят те, что разрабатывались для LHC, а поэтому требуют следующего технологического скачка.

Не вызывает, однако, сомнения, что, реализуя проект FCC, Европа заявляет о своих притязаниях и вступает в мировое соревнование за ускоритель будущего. А вот кто в этой истории старается держаться ниже травы тише воды, так это Соединенные Штаты. Те самые, которые когда‑то были безусловным лидером в данной сфере, а теперь, хоть и принимают некоторое участие в европейских, китайских или японских инициативах, так и не предложили ни какой‑то своей альтернативы, ни размещения у себя какой‑либо из обсуждающихся инфраструктур.

Единственное оригинальное предложение, исходящее от группы американских физиков, предусматривает возвращение к теме Уоксахачи (города, соседствующего с Далласом, в окрестностях которого планировалось рыть тоннель под SSC). Коллеги из США рекомендуют соорудить здесь тот самый протонный ускоритель на 100 ТэВ, который европейцы планируют строить вблизи Женевы.

Идея заключается в том, чтобы, используя десятки километров, уже прорытые для SSC, быстро довести длину тоннеля до 87 км и устроить там фабрику бозонов Хиггса – электрон-позитронный ускоритель с энергией 240 ГэВ, подобный FCC-ee. А потом – благо геологические условия Техаса позволяют – прорыть тоннель на 270 км и, оборудовав его магнитами на 5 Тл по хорошо известной технологии, достичь 100 ТэВ в протонном ускорителе. В тоннеле на 87 км можно также разместить инжектор на 15 ТэВ для протонного ускорителя. Ну а позднее, когда станут доступны технологии изготовления магнитов на 15 Тл, снабдить ими 270‑километровый тоннель – для получения энергии в 300 ТэВ.

Сторонники этого проекта настаивают, что он, несмотря на свои огромные размеры, будет куда экономичнее FCC. Но этот вариант, являясь, безусловно, весьма интересным, пока не рассматривался в качестве серьезной альтернативы другим предложениям.

В погоне за приоритетом

Сейчас в научной политике, причем на международном уровне, происходят, так сказать, “большие маневры”, и связаны они с программами постройки новых ускорителей.

Во-первых, как уже было сказано, США, похоже, согласились играть в дальнейшем роли второго плана. Сначала они обожглись в истории с SSC; потом парочку серьезных ударов нанес им ЦЕРН. Открытие W– и Z-бозонов, а затем еще и бозона Хиггса, по‑видимому, отправили их в нокаут, так что у них нет больше то ли сил, то ли желания хоть как‑нибудь реагировать. Но, несмотря на это, США остаются одним из лидеров в области новых технологий, а их достижения в других отраслях знания – в астрофизике, в космических исследованиях – по‑прежнему неоспоримы. Складывается впечатление, что американцам не по душе делать значимые инвестиции в те сферы науки, где, как они считают, их превосходство утрачено навсегда.

Совершенно по‑другому ведут себя “азиатские тигры” – Япония, Южная Корея и, конечно же, Китай. Эти страны, расположенные в наиболее динамично развивающейся части планеты, удивительно успешны и в том, что касается физики высоких энергий.

У Японии существует тут своя долгая традиция, и список нобелевских премий, полученных ее учеными за последние шестьдесят пять лет, убедительное тому доказательство. Корея и Китай включились в гонку относительно недавно, но достигнутый ими прогресс впечатляет. В особенности это относится к Китаю, который поначалу был малозаметен, но затем стал выдавать научные результаты один за другим. Чтобы усилить свое сообщество физиков, работающих в сфере высоких энергий (на тот момент весьма небольшое), государство пригласило из‑за границы лучших исследователей китайского происхождения. Тем из них, кто трудился в наиболее престижных американских университетах, оно предложило вполне сопоставимые зарплаты и фонды для проведения исследований. Чтобы создать китайские проекты новых ускорителей, правительство привлекло к участию в них наиболее известных исследователей, а молодым физикам из Америки и Европы, склонным к преподавательской деятельности, были предложены кафедры в местных университетах.

Инвестиции в фундаментальные исследования растут в Китае год от года. В процентном выражении этот рост таков, о каком мы, европейцы, которым приходится вести борьбу за выживание на фоне постоянного сокращения бюджетов, не смеем даже и мечтать. С 2000 по 2010 год они удвоились, и сегодня Китай тратит на научные исследования и опытно-конструкторские разработки больше, чем вся Европа.

Помимо прочего, в Китае запустили амбициозную программу космических исследований, включающую создание орбитальной научной станции и серию полетов на Луну. Венцом этой программы должен стать пилотируемый полет на наше ночное светило. В КНР ежегодно открывается несколько новых университетов и появляются важные инфраструктуры нейтринной физики, в том числе новая подземная лаборатория.

Китайский правящий класс демонстрирует понимание того, что инвестиции в фундаментальную науку откроют стране дорогу в мировую технологическую элиту. При этом китайцы хотят не только участвовать, но и стать первыми; они намерены добиться стратегического превосходства, сделаться научной супердержавой, ведущей за собой мир.

Если сегодня у Европы неоспоримое лидерство в физике высоких энергий, то это благодаря преимуществам научной подготовки в лучших университетах, старым традициям в активно работающих организациях вроде ЦЕРН, системам исследовательских центров и сети национальных лабораторий. У нас есть все условия для поддержания и укрепления этого приоритета. Но нам также требуется единое политическое руководство, которое не делилось бы на национальные группы и помнило о далекой перспективе развития нашего континента. Однако, к сожалению, слишком многие стратегические решения в Европе диктуются политическими случайностями или напрямую зависят от экономической конъюнктуры той или иной страны. Поэтому нужно, чтобы утвердился совершенно иной подход, нужно, чтобы европейский проект общества, устремленного в будущее, был принят в качестве своего рода конституционного пакта. Европа должна наращивать инвестиции в фундаментальные исследования, укрепляя университеты и исследовательские центры. Только вкладываясь в образование и обеспечивая появление новых поколений ученых, можно поддерживать прогресс и развитие. Задача государства – активно финансировать фундаментальные исследования, а задача промышленности – развивать прикладные исследования; необходимо использовать результаты общего познания и привлекать к работе наиболее талантливых выпускников университетов.

У Европы нет будущего без последовательных и непрерывных инвестиций в науку. Ибо ее превосходство в области физики высоких энергий подвергается сегодня большим рискам.